【技術分享】高效率Doherty功放

日期:2019-05-16 作者:潤欣科技創研社 返回列表

導語:射頻功率放大器被廣泛應用于各種無線通信設備中。在通訊基站中,線性功放占其成本比例約占1/3。高效率,低成本的解決功放的線性化問題顯得非常重要。因此高效率高線性的功放一直是功放研究的熱門課題。


Doherty功率放大器應用背景


伴隨著現代無線通信技術的高速發展,通信產品已經廣泛的融入了人們的生活中,對人們的影響越來越大。射頻功率放大器作為無線通信系統中主要器件之一,其性能對系統終端的影響重大。無線通信系統的標準由傳統的GSM標準到第三代通信標準WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000,以及今天的第四代通信標準LTE(Long Term Evaluation)。信號的調制方式也隨之發生改變,由恒包絡調制向包絡變換調制方式轉變。例如,在WCDMA中采用的OFDM包絡變換調制方式,其傳輸功率有著較高的均峰比,來滿足最大限度的增加系統的容量。因此需要功率放大器能夠在一定的功率回退中保證PA的線性度。但是傳統的功率放大器在功率回退范圍內的效率很低,因此,提高基站中功率放大器在功率回退中的效率變得尤為重要。提高效率的方法有很多, Doherty功率放大器技術結構簡單,性價比高等優勢,早已成為基站功率放大器研究的熱點。當前射頻功率放大器的設計正圍繞著“高效率”、“多波段”、“高線性化”的方向發展。


Doherty功率放大器架構


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圖1


Doherty功率放大器工作原理概述


Doherty結構由2個功放組成: 一個Main Amplifier(主功放),一個Peak Amplifier(輔助功放),主功放工作在AB類,輔助功放工作在B類或C類。兩個功放不是輪流工作,而是主功放一直工作,輔助功放到設定的峰值才工作。主功放后面的四分之一波長線是阻抗變換,目的是在輔助功放工作時,起到將主功放的視在阻抗減小的作用,保證輔助功放工作的時候和后面的電路組成的有源負載阻抗變低,這樣主功放輸出電流就變大。由于主功放后面有了四分之一波長線,為了使兩個功放輸出同相,在輔助功放前面也需要四分之一波長線,用以平衡二路的相位。如圖1所示。


Doherty功放工作的三個階段


Doherty技術是有源負載調制技術,主功放的負載隨著信號強度的變化而變化。從輸入信號強度劃分,Doherty功放的工作區域可以大致分為三個階段:小信號階段、中等信號階段和大信號階段。如圖2所示。


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圖二


1.小信號階段


在小信號階段,由于峰值功放工作在B類或C類,信號強度不足以使其工作,因此其截止,呈現開路狀態。主功放由于四分之一波長變換線將等效負載變為100Ω,負載電壓升高,使主功放提前進入預飽和狀態,效率提高。


2.中等信號階段


當信號逐漸增強時,輔助功放開啟,有源調制效應出現,主功放的等效負載由100Ω向50Ω的方向減小(并沒有達到50Ω),而主功放的電壓受到輔助功放牽制保持預飽和狀態,輔助功放的負載由開路狀態向50Ω轉變。


此時功放由最大效率狀態向最大輸出狀態轉變,效率維持不變(理想情況),線性有所提高。


3.大信號階段


隨著輸入信號的逐漸增強,輔助功放和主功放的電流增大,主功放的輸出電壓不變(理想情況),保持高效率。而主功放的負載繼續減小,輸出功率增加,當輔助功放達到飽和時,主功放和輔助功放的電流都達到了最大值。主功放,輔助功放負載均為50Ω,輸出功率達到最大。 


Doherty功放的設計


1.Doherty功放的缺點和注意點


前面提到了Doherty結構簡單和效率高的特點,但它也有不可克服的缺點,增益降低,帶寬減小,敏感度高。


- 增益降低


Doherty功放和AB類功放相比,其增益降低了2-3dB,原因是輔助功放處于C類,而末級功放的增益降低會影響到Doherty功放設計,因此在設計選擇推動級時,要考慮到增益降低帶來的影響,多留出設計余量。


- 帶寬減小


通過調試或者仿真可以看出,Doherty是個窄帶系統,帶寬小,尤其是線性。調試時經常發現調好高端后,發現低端又不能滿足指標要求。原因是阻抗變換和1/4波長變換線的窄帶特性導致的。


- 敏感度高


前面提到Doherty的實質就是有源負載調制,兩路功放相互影響程度較大,敏感度較高。由于這種敏感度存在,所以研發階段應該在比較敏感的地方預留一些可調試的部分(焊盤),便于生產中校正其離散性。

 

2.Doherty功放設計要點


功放主要是由功放管,偏置電路,匹配電路三部分組成,關注的要點是效率,線性,穩定性。


- 穩定性


不穩定是功放設計中比較忌諱的事情。輕則雜散大,重則無法正常工作。比如自激,燒LDMOS管等。其實不穩定就是放大器變成了振蕩器。


設計時可以通過如下措施進行避免。


- 偏置電路反饋及處理辦法


采用1/4波長微帶線和去耦電容的方法阻止反饋回路的形成。


PCB板和地平面的要有足夠多的螺釘固定,并且在功放管附近保證良好接地。


- 結構分腔設計


單個腔體中增益過高容易引起空間的耦合,加蓋板影響較大。單個腔體內的增益最好小于30dB,過高的增益需要分腔設計,兩路之間要用金屬隔擋,盡量長,蓋板上增加屏蔽條,有效隔斷減小相互影響。


- 兩級級間的考慮


在直接級聯時,放大器間的影響是不可消除的。即使單級放大器是穩定和指標良好的,但級聯效果不一定就好,這時就需要增加隔離器或者電阻衰減網絡。

 

3.Doherty功放的設計思路


3.jpg


- 按照AB類功放的方法設計輸入輸出匹配。


- 按照Doherty的架構組合兩路功放,并加上offset線。


- 在整體架構上調整各offset線的長度以實現高效率和高線性。

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